太赫茲（THz）光子學(xué)依賴于THz超快光源的發(fā)展。與傳統(tǒng)非線性晶體THz光源相比，自旋THz超快光源具有較高的理論轉(zhuǎn)化效率，備受關(guān)注。自旋THz發(fā)射器件通常采用磁性-非磁性薄膜異質(zhì)結(jié)設(shè)計(jì)，在飛秒近紅外或可見光超快激光脈沖泵浦下，磁性層能夠產(chǎn)生超快自旋流，自旋流在界面處通過逆自旋霍爾效應(yīng)（ISHE）等機(jī)制轉(zhuǎn)換為電荷流，電荷流進(jìn)一步在非磁性薄膜中產(chǎn)生電磁輻射，形成THz脈沖，穿透樣品發(fā)射到自由空間。目前已知有鐵磁-重金屬、反鐵磁-重金屬、鐵磁-反鐵磁（反鐵磁-鐵磁）、鐵磁-拓?fù)浣^緣體等構(gòu)型被研制成功。然而，反鐵磁-拓?fù)浣^緣體（AFM-TI）構(gòu)型是尚缺的構(gòu)型拼圖，反鐵磁在超快應(yīng)用中更具有潛力；更重要的是，迄今所有的THz超快光源都不能很好地實(shí)現(xiàn)圓偏振，大部分已報(bào)道的是橢圓偏振的脈沖，這阻礙了THz超快光源的應(yīng)用。

近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心SF10i組趙繼民研究團(tuán)隊(duì)利用THz超快光譜實(shí)驗(yàn)裝置，與N08組滕靜副研究員、北京航空航天大學(xué)吳曉君教授、德國漢堡大學(xué)Franz X. K?rtner教授等合作，成功實(shí)現(xiàn)了基于AFM-TI異質(zhì)結(jié)MnSe/(Bi,Sb)2Te3的THz超快激光脈沖發(fā)射，完成了AFM-TI構(gòu)型拼圖。通過研究不同溫度、不同激光泵浦條件下的THz超快脈沖發(fā)射譜，實(shí)驗(yàn)展示了AFM-TI異質(zhì)結(jié)具有優(yōu)秀的橢圓偏振THz超快脈沖發(fā)射能力，其橢圓度為已報(bào)道超快THz發(fā)射源中最優(yōu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了通過激發(fā)光偏振來方便地調(diào)控偏振態(tài)（線偏振-圓偏振）。

實(shí)驗(yàn)上，趙繼民研究團(tuán)隊(duì)采用超快THz光譜探測了MnSe/(Bi,Sb)2Te3異質(zhì)結(jié)在近紅外光泵浦下的THz頻段發(fā)射譜，發(fā)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)可在室溫、無外磁場的條件下有效產(chǎn)生THz輻射。其物理機(jī)制為：通過對泵浦光偏振方向和樣品方位角依賴THz發(fā)射譜的數(shù)據(jù)分析，他們發(fā)現(xiàn)存在磁偶極輻射（Magnetic-dipole radiation）及自旋-電荷轉(zhuǎn)換(Spin-to-charge conversion)兩種互相關(guān)聯(lián)的機(jī)制，共同參與THz發(fā)射過程?；诖穗p物理機(jī)制，通過調(diào)節(jié)泵浦光線偏振角即可有效調(diào)控兩種機(jī)制占比可實(shí)現(xiàn)調(diào)控THz發(fā)射脈沖的偏振態(tài)，在特定角度下能夠產(chǎn)生具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的圓偏振THz超快光脈沖。

圖1利用雙物理機(jī)制實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)可調(diào)控的自旋THz發(fā)射。(a)MD及SCC共同主導(dǎo)的THz發(fā)射示意圖。(b-d)通過調(diào)節(jié)泵浦光線偏振方向?qū)崿F(xiàn)THz發(fā)射電場的線偏振-圓偏振相互轉(zhuǎn)換。

相關(guān)研究成果近期以“Antiferromagnet-topological insulator heterostructure for polarization-controllable terahertz generation”為題發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》【Nature Communications 16, 5656 (2025)】上。博士生程煜、周發(fā)然副研究員為該研究的共同第一作者，趙繼民研究員、滕靜副研究員為通訊作者，滕靜和李永慶研究員提供了高質(zhì)量的薄膜樣品，F(xiàn)ranz X. K?rtner教授和吳曉君教授在數(shù)據(jù)分析與機(jī)理上進(jìn)行了合作，博士生公丕明、博士后姜麗桐、吳曉君指導(dǎo)的博士生李培炎也參與了相關(guān)研究。該研究受到了科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、北京市基金委等科研項(xiàng)目的資助。

編輯：姬子隰